EVALUACIÓN DEL MOVIMIENTO DEL AGUA Y PLAGUICIDAS EN SUELOS DE USO AGRÍCOLA Y SU PREDICCIÓN DE CONTAMINACIÓN HACIA LAS AGUAS

SUBTERRÁNEAS

CARMEN STELLA MOSQUERA V.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE CIENCIAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA BOGOTÁ, D.C.

2010

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EVALUACIÓN DEL MOVIMIENTO DEL AGUA Y PLAGUICIDAS EN SUELOS DE USO AGRÍCOLA Y SU PREDICCIÓN DE CONTAMINACIÓN HACIA LAS AGUAS

SUBTERRÁNEAS

CARMEN STELLA MOSQUERA V.

Anteproyecto de tesis Doctoral

Director. JAIRO ARTURO GUERRERO DALLOS Ph.D.

Profesor Departamento de Química

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE CIENCIAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA BOGOTÁ, D.C.

2010

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TABLA DE CONTENIDO    

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 4

2. JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA 5

3. ESTADO DEL ARTE 8

3.1. EL AGUA Y EL SUELO 8 3.2. MOVIMIENTO DE LOS PLAGUICIDAS EN EL SUELO 11 3.3 MODELOS DE LIXIVIACIÓN DE PLAGUICIDAS EN SUELOS 14

4. OBJETIVOS 16

4.1 OBJETIVOS GENERALES 16 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 16

5. METODOLOGÍA PROPUESTA 17

5.1 SELECCIÓN DE LAS UNIDADES DE MUESTREO 17 5.2 SELECCIÓN DE LOS PLAGUICIDAS A ESTUDIAR 17 5.3 CUANTIFICACIÓN DE LOS PLAGUICIDAS A TRAVÉS DEL PERFIL DEL SUELO 18 5.4 ADSORCIÓN-DESORCIÓN DE PLAGUICIDAS EN SUELOS 18 5.5 DEGRADACIÓN DE LOS PLAGUICIDAS Y SORCIÓN EN EL TIEMPO 19 5.6 CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA ORGÁNICA DE LOS SUELOS 19 5.7 ADAPTACIÓN Y VALIDACIÓN DEL MODELO DE LIXIVIACIÓN DE PLAGUICIDAS EN SUELOS 20

6. RESULTADOS ESPERADOS 21

6.1 RESULTADOS 21 6.2 ARTÍCULOS A PUBLICAR 21

7. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 23

7.1 CRONOGRAMA 23

8. PRESUPUESTO 24

8.1 PRESUPUESTO 24

LITERATURA CITADA 25

 

 

 

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Los plaguicidas, como moléculas químicas conformadas por una amplia variedad de grupos funcionales (anillos aromáticos, 1,2,4 triazoles, fracciones alifáticas, halógenos, hidroxilos, N- metil carbamatos, fosfatos, amino, entre otros), presentan diversos comportamientos tanto en la atmosfera, el agua, el suelo y la biota. Las interacciones entre los plaguicidas y el compartimiento ambiental, dependen fundamentalmente de las propiedades físicas y químicas tanto de las moléculas aplicadas como de las del compartimiento. El suelo, es el compartimiento ambiental que rige la mayor parte del destino de los contaminantes orgánicos en el medio ambiente. Las interacciones suelo-agua debidas a las asociaciones de las moléculas de agua presentes en la solución del suelo con las partículas sólidas de éste, particularmente las de tamaño coloidal, afectan y controlan las tasas de pérdida de agua del suelo por percolación y por ende la lixiviación de los plaguicidas a través del perfil del suelo. Además, la lixiviación de los plaguicidas en el suelo se ve afectada por las interacciones físicas, químicas y electrostáticas a nivel superficial (sorción) entre los componentes sólidos del suelo, la materia orgánica disuelta, y las moléculas aplicadas para el control de enfermedades, plagas, hongos y malezas en los cultivos. Respecto al movimiento del agua y de los plaguicidas a través del perfil del suelo, en el contexto colombiano, se evidencia una escasez de información científica a nivel de campo y de laboratorio que permita establecer los comportamientos de los plaguicidas con los diversos componentes del suelo, específicamente con la materia orgánica sólida y la materia orgánica disuelta, y sus relaciones con el movimiento del agua; bajo condiciones de trópico y labranza continua. Estos últimos aspectos afectan notablemente las reservas de agua y las propiedades físicas y químicas de los suelos, afectándose de este modo el movimiento de los plaguicidas, el cual esta estrechamente concatenado con el movimiento del agua, las propiedades físicas y los componentes sólidos del suelo. De acuerdo a los aspectos anteriores, se plantea como problema central, que los plaguicidas con diferentes propiedades físicas y químicas al ser usados ampliamente en el control de las enfermedades, plagas, hongos y malezas en los cultivos, específicamente de banano y rosas, pueden presentar un riesgo de lixiviación y contaminación hacia las aguas subterráneas, el cual dependerá principalmente del movimiento del agua, las propiedades físicas y químicas tanto de los plaguicidas como de los suelos, y de la composición y cantidad de la materia orgánica sólida y la materia orgánica disuelta, está última vista como un factor que incrementaría la movilidad de los plaguicidas a través del perfil de los suelos tropicales, baja labranza continua y con adición de materiales orgánicos (fertilización).

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2. JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA Colombia es un país cuya economía se basa fundamentalmente en el sector agropecuario, reportándose según los datos de la Encuesta Nacional Agropecuaria – ENA, que dicha producción corresponde al 45 % (50.941.744 ha) del total del territorio nacional que asciende a 114.174.800 ha. El área destinada a la agricultura solo participa con un 7 %, reportandose 1.564.630 ha (41 %) destinadas a los cultivos transitorios como: el arroz, maíz, yuca, papa, algodón, sorgo, soya, trigo, tabaco, cebada, fríjol y hortalizas, y 2.229.752 ha (59 %) destinadas a los cultivos permanentes como: el café, plátano, palma africana, caña de azúcar, caña panelera, otros frutales, cacao, banano de consumo interno, banano de exportación, naranja, mango, cítricos 1. El banano de consumo interno, como cultivo permanente o de ciclo largo, con un área sembrada de 37.536 ha se produce principalmente en los departamentos de Antioquia, Caldas, Cauca, Cundinamarca, Huila, Nariño, Norte de Santander, Quíndio, Risaralda, Tolima y Valle del Cauca; siendo Cundinamarca (6.035 ha), Cauca (3.915 ha), Valle del Cauca (3.792 ha), Norte de Santander (3.688 ha), Tolima (3.017 ha) los departamentos con áreas sembradas mayores a las 3.000 ha (representando un 54,5% del área total de siembra) 1. El banano de exportación, con un área sembrada de 42.655 ha, se produce principalmente en los departamentos de Antioquía y Magdalena. El 74,6 % del total de la producción se genera en la región de Urabá, ubicada al noroccidente del departamento de Antioquia y el resto, 25,4 %, en el Magdalena 1. Las fincas bananeras en la región de Urabá se encuentran principalmente en los municipios de Apartadó (34,6 %), Turbo (28,2 %), Carepa (23,2 %) y Chigorodó (14,4 %) bajo un clima cálido húmedo y cálido muy húmedo; siendo Chigorodó el único municipio en donde se puede presentar los dos tipos de clima, en los demás municipios el clima predominante es el cálido húmedo 2. En el clima cálido húmedo igualmente que en el cálido muy húmedo se puede presentar un exceso de humedad anual entre 160 a 1.800 mm y 1.200 a 3.670 mm, respectivamente 2; proporcionando un medio adecuado para el desarrollo de enfermedades causadas por hongos en el cultivo de banano. La Sigatoka Negra causada por el hongo Mycosphaerella fijiensis es una de las mayores limitantes en la producción de banano a nivel nacional, además de otras enfermedades y plagas. Hasta el momento el principal y casi único control de dicha enfermedad es el químico, empleándose fungicidas sistémicos y de contacto. El método utilizado para la aplicación de los plaguicidas en el control de la Sigatoka Negra y demás enfermedades es mediante aspersión aérea y se realizan ciclos de aplicación de aproximadamente 26 o 28 por año. Además de éste control químico se puede disminuir el efecto del hongo sobre el cultivo mediante buenas prácticas culturales, la construcción de drenajes y el buen mantenimiento de estos últimos 3.

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Respecto al cultivo de flores, Colombia participa con el 95 % de la oferta total y un 50 % en la de rosas en el mercado de los Estados unidos; en donde las exportaciones corresponden a flores de corte siendo las rosas y los claveles, las principales 4. Según ASOCOLFLORES la producción de flores en 2004 y 2005 abarca cerca de 7.200 hectáreas y la producción se concentra en los departamentos de Cundinamarca (85 %) y Antioquia (12 %). En la actualidad se producen y exportan principalmente rosas (48 %), claveles (16 %), mini claveles (8 %), crisantemos (4 %) y otros 5. El ciclo de producción de las rosas en Colombia depende fundamentalmente de la oferta en el mercado internacional y de la variedad cultivada. Las rosas generalmente se siembran en camas de suelo bajo condiciones de invernadero, en donde el agua necesaria para el mantenimiento adecuado del cultivo es proporcionada a través del riego mediante goteo, cacho o flauta. El Mildeo Velloso, una de las principales enfermedades generada por la presencia de hongos en el cultivo de rosas, por la generación de microclimas (humedad relativa y temperatura) al interior de los invernaderos, ha ocasionado algunos inconvenientes en la producción y exportación del producto, para su control la aplicación de los fungicidas se hace directamente al suelo. Las aplicaciones de otros plaguicidas se hacen generalmente dos veces por semana sobre los botones o el follaje de las plantas dependiendo de la enfermedad a controlar o prevenir y empleando bombas para su dispersión. El uso de plaguicidas genera un beneficio económico para los agricultores, pero al mismo tiempo pueden ocasionar efectos adversos sobre el medio ambiente y los seres humanos, reflejados por ejemplo en la contaminación de las aguas subterráneas; las cuales representan alrededor del 98% del agua fresca disponible en todo el planeta, siendo así su protección y restauración una estartegía global de suma importancia 6. Entender los procesos de interacción entre el suelo-agua y el suelo-plaguicida en suelos del tropico y con una labranza continua, permitirá evaluar el movimiento del agua y los plaguicidas a través del perfil del suelo y estimar su contaminación hacía las aguas subterráneas, y de este modo establecer la calidad de dichas aguas para consumo humano; teniendo en cuenta la importancia de las aguas subterráneas en el suministro de agua y como reservas de agua potable. Los modelos matemáticos y experimentales de lixiviación de plaguicidas en suelos, empleados en la estimación de la movilidad y posible contaminación de los plaguicidas hacia las aguas subterráneas, son considerados a nivel mundial como herramientas útiles en la evaluación del destino y riesgo ambiental que puede ocasionar una determinada molécula sobre el ambiente. Con la adaptación de un modelo de lixiviación a las condiciones agro-ecológicas de las zonas seleccionadas, se contará con una herramienta inicial para la estimación y cuantificación de la movilidad de los plaguicidas aplicados en los cultivos de banano y rosas a través del perfil del suelo, y su predicción de contaminación hacia las aguas subterráneas.

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Se trabajará sobre suelos donde se cultiva banano y rosas porque, además de ser dos cultivos importantes en materia de exportación; son dos cultivos con sistemas de aplicación de plaguicidas, condiciones ambientales (rosas bajo invernadero y banano a la intemperie), manejo y fertilización diferentes que podrían afectar el comportamiento y movimiento de los plaguicidas en el suelo.

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3. ESTADO DEL ARTE

3.1. EL AGUA Y EL SUELO El agua es un componente vital en todas nuestras actividades diarias. Una molécula constituida por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno unidos a través de enlaces covalentes con dos pares de electrones libres, presenta una estructura asimétrica con un ángulo de 105 °, generándole una polaridad y la posibilidad de formar puentes de hidrógeno entre los hidrógenos cargados parcialmente positivos de una molécula y el oxígeno cargado parcialmente negativo de otra molécula a nivel tridimensional; permitiendo al mismo tiempo la cohesión entre las moléculas de agua y la adhesión sobre las partículas sólidas, como por ejemplo, las que conforman los sólidos del suelo 7. La formación de enlaces o como lo plantean algunos autores seudo enlaces de hidrógeno son los responsables del establecimiento de una estructura tetraédrica presente en la fase sólida del agua, la cual es parcialmente retenida durante la fusión. La estructura tetraédrica, que se manifiesta en la fase líquida, es considerada como la responsable de las propiedades únicas del agua como: i) la temperatura de máxima densidad, ii) los altos puntos de fusión y ebullición, iii) baja comprensibilidad y iv) la alta tensión superficial; comparados con otros líquidos de formula y peso molecular similares (H2S, NH3) 8, 9, 10, 11. La alta tensión superficial del agua (72,8 N/mm a 20 °C), debida a la gran cohesión de las moléculas en la interfase líquido – gas, es un factor importante en el fenómeno de la capilaridad, el cual determina como se mueve y retiene el agua en el suelo. Esta molécula, con propiedades únicas, promueve una amplia variedad de procesos físicos, químicos y biológicos, los cuales afectan notablemente el desarrollo y comportamiento de un suelo, como por ejemplo, en la formación de los minerales, la descomposición de la materia orgánica y la contaminación hacia aguas subterráneas de los plaguicidas aplicados para el control de las enfermedades, plagas y/o hongos que atacan a un determinado cultivo 7. El agua en el suelo esta íntimamente asociada a las partículas sólidas de éste, particularmente las de tamaño coloidal. La interacción entre el agua y los sólidos del suelo cambian el comportamiento de los dos; encontrándose por ejemplo, que el agua genera que las partículas del suelo se hinchen o sequen (por falta de agua en el sistema), se adhieran unas con otras y formen agregados estructurales; además de participar en varias reacciones químicas relacionadas con la disponibilidad de los nutrientes 7.

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Las interacciones suelo – agua, afectan varias funciones ecológicas de los suelos y prácticas de manejo; además de determinar cuanta cantidad de agua de lluvia y/o riego entra al suelo, cuanta agua se pierde por escorrentía y controlar el movimiento de los plaguicidas hacia las aguas subterráneas y/o hacia las aguas superficiales, este último debido principalmente al movimiento del material particulado generado por la erosión desde el suelo. También, las interacciones suelo – agua, afectan la tasa de pérdida del agua por medio de la percolación y la evapotranspiración, el balance entre el aire y el agua en los poros del suelo, la tasa y el tipo de metabolismo de los microorganismos presentes en él y la capacidad del suelo de almacenar y proveer agua para el adecuado crecimiento de las plantas 7. 3.1.1 Movimiento del agua en el suelo. La hidrosfera, con una fuerte influencia sobre la pedosfera, comprende la suma de todas las fuentes de agua (océanos, ríos, lagos), agua subterránea (renovable y fósil) y el agua del suelo. En donde el agua es el recurso más abundante de la tierra, cubriendo el 70% de su superficie, siendo el agua fresca el recurso más escaso y el suelo el mayor reservorio de ésta, cincuenta veces mayor que el agua en los ríos y corrientes 12. El movimiento del agua entre el suelo, la atmosfera y las fuentes de aguas superficiales y subterráneas se representa en la Figura 1, la cual contiene el Ciclo Hidrológico manejado por la energía solar; en donde a todo el sistema ingresa 500000 km3 de agua, de los cuales 40000 km3 se mueven desde el oceáno hasta la tierra a través de las nubes 7. A menudo, es útil considerar los componentes del Ciclo Hidrológico para ser aplicados a un momento, un área o un terreno drenado por un simple sistema de corrientes y unido por medio de crestas a otro terreno adyacente. Toda la lluvia que cae en un terreno es almacenada en el suelo, luego retorna a la atmosfera por evaporación desde el suelo o transpiración desde las plantas. La disposición del agua en el terreno se expresa mediante la siguiente ecuación de balance hídrico:

P + I = ET+SS+D (1)

donde P es la precipitación, I es la irrigación, ET la evapotranspiración (evaporación más transpiración del agua), SS es lo que almacena el suelo de agua y D la descarga de agua desde el suelo 7. La Figura 2 muestra el movimiento del agua entre el suelo, la planta y la atmosfera con sus respectivos rangos de porcentajes de agua que es: i) interceptada por las plantas antes de llegar al suelo, ii) el agua que se pierde por escorrentía, iii) por lixiviación, iv) la que regresa al suelo desde la zona capilar, v) el agua que toman las plantas y vi) el agua que se pierde por evaporación desde el suelo. Es importante anotar que la vegetación presente como cobertura en un determinado terreno promueve la

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infiltración; los sistemas de drenaje incrementan la percolación de nitratos y contaminantes orgánicos hacia las aguas subterráneas y aceleran la perdida de materia orgánica, además cuando la cantidad de agua que entra al sistema excede la capacidad de almacenamiento del suelo se generan perdidas a través de la escorrentía y la percolación 7. Entender y conocer el movimiento del agua a través del perfil del suelo es una herramienta útil para comprender el movimiento de los plaguicidas en el suelo; y establecer su riesgo potencial de contaminación hacia las aguas subterráneas y superficiales.

Figura 1. Ciclo Hidrológico7

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Figura 2. Movimiento del agua entre el suelo, la planta y la atmosfera7.

3.2. MOVIMIENTO DE LOS PLAGUICIDAS EN EL SUELO El destino ambiental de los plaguicidas aplicados para el control de las enfermedades, plagas y/o hongos que afectan a un cultivo específico, en este caso para el cultivo de banano y rosas, se relaciona con las propiedades físico y químicas de las moléculas aplicadas y las del compartimento ambiental de interés, el cual puede ser: el suelo, el agua, la atmosfera y/o la biota. Para el caso específico de los suelos, el comportamiento de los plaguicidas está estrechamente relacionado con su disponibilidad en el sistema; reportándose, por ejemplo, que después de una aplicación por spray una gran porción de las moléculas agregadas al cultivo se depositan en la superficie del suelo, ya sea por acción directa o por el lavado del follaje 13; donde la dispersión al agua, las plantas y la atmosfera depende principalmente del comportamiento de las moléculas aplicadas con el compartimiento, particularmente relacionada con su retención. La retención al ser caracterizada por dos procesos principales como son: la adsorción y desorción permite evaluar la disponibilidad del plaguicida como contaminante 14, 15, 16, 17, 18. Una de las principales aplicaciones de la caracterización del comportamiento suelo-plaguicida es la estimación del potencial de percolación de la molécula a través del perfil del suelo y su riesgo de contaminación hacia las aguas subterráneas. Donde un incremento en la retención del plaguicida sobre el suelo implica posiblemente una menor vulnerabilidad de lixiviación 19, 20, 21. En algunos casos el proceso de adsorción-desorción de los plaguicidas en el suelo ha mostrado ser parcialmente no reversible y la desorción frecuentemente presenta histéresis 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28. Su determinación en periodos cortos de tiempo, en pocas

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horas o días, no permite estimar el efecto del tiempo de residencia del plaguicida en el suelo sobre su retención. Con el tiempo el plaguicida puede formar enlaces covalentes con los componentes del suelo como la materia orgánica y la fracción mineral y/o se pueden dar procesos pasivos que incluyen un gran número de aspectos dentro del suelo, como por ejemplo: i) la sorción sobre las partículas del suelo, ii) la difusión del plaguicida al interior de los macro y microporos del suelo o iii) la oclusión en la materia orgánica 29; afectando de este modo su disponibilidad en la solución del suelo, su lixiviación y posiblemente su degradación. La sorción de los plaguicidas en el tiempo puede ser descrita empleando un modelo que considere tres clases diferentes de sitios de adsorción 30:

1. Sitios de sorción donde se establece un equilibrio rápido, localizados sobre la superficie de las partículas del suelo, por lo cual el equilibrio se consigue en pocos minutos.

2. Sitios de sorción donde se establece lentamente el equilibrio, localizado en la parte interna de la superficie de las partículas del suelo, por lo cual el equilibrio es logrado a escalas de tiempo de horas o días.

3. Sitios para los cuales el equilibrio es alcanzado en escalas de cien días, que pueden corresponder a sitios profundos localizados en los poros de la matriz sólida (suelo) ó pueden ser formados de los primeros y segundos sitios después de un rearreglo del adsorbato.

Un aspecto importante a considerar en la evaluación del comportamiento suelo-plaguicida es la posibilidad del incremento de la sorción de la molécula con el incremento del tiempo de residencia del plaguicida en el suelo. Simplificaciones de los coeficientes de partición en equilibrio de los plaguicidas, determinados sobre suelos frescos tratados con la molécula de estudio, pueden ser inadecuados y permitir errores en la predicción de su movilidad a través del perfil del suelo 16, 31. Este proceso de interacción entre el plaguicida y el suelo a través del tiempo puede ser caracterizado y empleado en modelos numéricos para la determinación del potencial de lixiviación del plaguicida en los suelos 19, 32. Adicionalmente en la evaluación del comportamiento suelo-plaguicida la determinación del tiempo de vida media de la molécula aplicada, con el fin de conocer su estabilidad en el suelo y de acuerdo a su movilidad su posible riesgo potencial de contaminación hacia las aguas subterráneas, es un factor a considerar. La degradación de los plaguicidas en suelo esta estrechamente relacionada con la actividad microbiana del sistema, su temperatura, su humedad y la disponibilidad del analito en la solución del suelo. El contenido de carbón orgánico es un factor adicional que afecta la degradación de los analitos en el suelo; en donde su influencia es bastante compleja, porque se ha reportado que un incremento en el contenido de carbón orgánico puede incrementar la actividad microbial posiblemente al incrementar los sustratos para el cometabolismo de los microorganismos 33; pero cuando la sorción del plaguicida está correlacionada con el

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contenido de carbón orgánico se reduce notablemente la movilidad y la biodisponibilidad de la molécula, disminuyendo de este modo la degradación de la sustancia 34, 35, 36. Respecto al rol que juega el contenido de carbón orgánico o el contenido de materia orgánica de los suelos en la adsorción-desorción y posiblemente en la degradación de los plaguicidas, un aspecto adicional a evaluar en la movilidad de estas moléculas a través del perfil del suelo es la determinación de la composición estructural de la materia orgánica del suelo, la cual puede ser una herramienta muy útil para el entendimiento de las interacciones de los plaguicidas con el suelo, cuando la materia orgánica juega el rol principal en la adsorción. Las interacciones de los plaguicidas con varios de los componentes de la materia orgánica del suelo no han sido bien desarrolladas por las dificultades que existen en su caracterización estructural. La espectroscopia de resonancia magnética nuclear 13C con CPMAS puede ser usada cuantitativamente en la evaluación del ambiente de cada átomo de carbono que constituye la MOS, lo que no se traduce en una información directa sobre la estructura molecular de esta última 37, permitiendo de este modo establecer el tipo de carbón que afecta notablemente la adsorción del plaguicida. Los resultados de los estudios de RMN usualmente han sido reportados en términos del tipo de carbono, en vez de estructuras moleculares 37, lo que permite graficar el tipo de carbón versus el Koc con el fin de evaluar las variaciones en el proceso de adsorción respecto a la composición estructural aproximada de la MOS 38. También la espectroscopía infrarroja ha sido ampliamente usada para la caracterización general de los componentes que constituyen la materia orgánica de los suelos porque provee información valiosa sobre la estructura y los grupos funcionales presentes en ella 39, 40, 41, 42, complementando de esta manera la información obtenida a partir de los espectros de 13C- RMN en estado sólido y de este modo caracterizar estructuralmente la MOS. Respecto a la influencia de la materia orgánica no solo en la degradación de los plaguicidas sino también en la movilidad de dichas sustancias a través del perfil de los suelos, un aspecto a considerar es el papel que juega la materia orgánica disuelta, MOD en la movilidad de los contaminantes en el suelo. Con la adición, como práctica agrícola, de materia orgánica a los suelos, se esta agregando una buena cantidad de MOD, la cual interactua con los contaminantes orgánicos afectando su comportamiento y movimiento en el suelo 43, 44, 45, 46. La MOD puede reducir la sorción de los contaminantes en el suelo y promover la desorción de los plaguicidas desde los suelos 45, 47, 48 , por ejemplo, en estudios con columnas de suelo, la tasas de lixiviación del metalaxil fueron 55% más altas cuando se agregaba turbas al suelo porque la MOD promovía su movimiento 49. Resultados similares se han reportado para el 2,4-D, naftaleno, clorpirifos, atrazina y clorotoluron donde las capacidades de sorción fueron disminuidas significativamente al incrementar

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la cantidad de MOD en solución 46, 50, 51. Además, la biodisponibilidad de los contaminantes orgánicos hidrofóbicos se reduce con la adición de MOD al suelo 52, 53; indicando que la MOD puede ser un potente mediador que afecta el comportamiento de los plaguicidas en el suelo, como regulador en la activación y en la movilidad de los compuestos orgánicos (por ejemplo, herbicidas y contaminantes) en un ecosistema 46. Al igual que en la materia orgánica del suelo, la caracterización estructural de la MOD mediante el empleo de técnicas espectroscopicas y fluorescentes, es un factor importante en el entendimiento del tipo de interacciones entre la MOD y los plaguicidas, las cuales afectan el movimiento de estas sustancias a través del perfil de los suelos.

3.3 MODELOS DE LIXIVIACIÓN DE PLAGUICIDAS EN SUELOS Las pérdidas de plaguicidas desde los suelos agrícolas hacia las aguas subterráneas pueden afectar en un largo plazo la calidad del agua 54, reportándose por ejemplo, residuos químicos tanto en aguas superficiales como en aguas subterráneas 55, 56, 57, en donde la cantidad de plaguicidas encontradas exceden frecuentemente el límite establecido por la Unión Europea para el agua potable de 0,1 μg/L 54. Para la evaluación del riesgo de percolación de los plaguicidas en el suelo y la contaminación hacia las aguas subterráneas, la directiva 91/414 de la Unión Europea de 1997, sugirió el uso de estudios de simulación, en donde se puede emplear el peor escenario posible con el fin de usar modelos previamente validados 54 y así determinar el movimiento del plaguicida a través del perfil del suelo y su cantidad en las aguas subterráneas. La escogencia del modelo o los modelos a usar para la evaluación de la lixiviación de los plaguicidas en el suelo depende principalmente de los objetivos a evaluar, los criterios a representar, los datos requeridos y la finalidad del modelo 54. Bergström y Jarvis compararon las representaciones de siete modelos empleando datos obtenidos a través de ensayos con lisímetros; encontrando que las tasas de lixiviación experimentales variaron considerablemente a través de los lisímetros, lo cual se atribuyó a la variabilidad espacial en el transporte, procesos de transformación y al flujo preferencial. Estos fenómenos fueron pobremente representados con los códigos disponibles de los modelos empleados 58. Diekkrüger et al, compararon entre ocho agroquímicos tres modelos de lixiviación de plaguicidas, en donde para el methabenzthiazuron, metramitron y simazima se hicieron mediciones en el campo. Encontraron pequeñas diferencias entre los diferentes modelos en las simulaciones de corto tiempo, pero sospechosas desviaciones en la evaluación a largos tiempo, concluyendo que con una base de datos limitada, el comportamiento de los plaguicidas a largo tiempo no pudo ser evaluada apropiadamente 59.

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Para la estimación del riesgo de contaminación de uno o varios plaguicidas hacia las aguas subterráneas, existen modelos que simulan el movimiento de los plaguicidas a través del perfil del suelo mediante la lixiviación, los cuales describen el movimiento del agua, de los solutos y la adsorción, degradación y movimiento de los plaguicidas en el suelo; algunos consideran la existencia de un flujo preferencial, volatilización y la cantidad de agua que toma la planta por medio de sus raíces desde el suelo. Otros parámetros considerados en los modelos están relacionados con los datos climatológicos y las cantidades aplicadas de cada uno de los plaguicidas al sistema de cultivo, que son necesarios para efectuar el balance hídrico y de masa, y de esta manera representar el movimiento del agua, solutos y plaguicidas a través del perfil del suelo, además de estimar una concentración del plaguicida en las aguas subterráneas 60, 61, 62, 63, 64. Los modelos de lixiviación de plaguicidas en suelos al igual que cualquier otro modelo desarrollado para la estimación del comportamiento y movilidad de los contaminates hacia un compartimiento ambiental específico, deben ser previamente calibrados y validados en el tiempo. La calibración y validación de los modelos, se realiza mediante el empleo de bases de datos adecuadas que contengan información obtenida en campo y en laboratorio del comportamiento de los plaguicidas en el suelo, del movimiento del agua y los solutos, las condiciones climatologícas, las cantidades aplicadas de cada una de las moléculas, y las propiedades físicas y químicas de los suelos. Las metodologías empleadas para la obtención de la información relacionada con el transporte de los plaguicidas, agua y solutos en el perfil del suelo bajo un flujo de agua determinado, son las columnas de suelo, los lísimetros y las mediciones en una unidad experimental determinada. Respecto a las columnas de suelo, estas pueden ser empacadas o tomadas en situ, sin disturbar la estructura del suelo; y son experimentalmente más complejas que una simple técnica indirecta de mezclado entre el plaguicida y el suelo. La información sobre el movimiento de los plaguicidas en el suelo que provee las columnas es más detallada y cercana a las condiciones de campo, a comparación de las otras técnicas empleadas para estimar la movilidad de los plaguicidas en el suelo 65.

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4. OBJETIVOS

4.1 OBJETIVOS GENERALES 4.1.1 Evaluar el movimiento del agua y plaguicidas en suelos agrícolas ubicados en las zonas del Uraba Antioqueño y en la Sabana de Bogotá.

4.1.2 Adaptar un modelo de simulación para la lixiviación de los plaguicidas en los suelos de las zonas de estudio, y usarlo como herramienta en la predicción de la contaminación de los plaguicidas hacia las aguas subterráneas.

4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 4.2.1 Determinar las propiedades físicas y químicas de los suelos seleccionados en las zonas de estudio destinados a los cultivos de banano y rosas.

4.2.2 Cuantificar los plaguicidas a través del perfil de los suelos seleccionados en las unidades experimentales de estudio y destinadas a los cultivos de banano y rosas. 4.2.3 Evaluar la adorción-desorción de los plaguicidas en cada uno de los horizontes (hasta una profundidad de 100 cm) de uno de los suelos seleccionados. 4.2.4 Evaluar la degradación de los plaguicidas y el efecto del tiempo de residencia de las moléculas en el suelo en cada uno de los horizontes de uno de los suelos seleccionados. 4.2.5 Caracterizar estructuralmente la materia orgánica disuelta y la materia orgánica sólida del suelo en cada uno de los horizontes que conforman el perfil de uno de los suelos seleccionados y en el horizonte A de los otros suelos, mediante resonancia magnética nuclear, espectroscopía infrarroja y ultravioleta-vísible. 4.2.6 Calibrar y validar un modelo de lixiviación de plaguicidas en suelos para las zonas de estudio seleccionadas.

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5. METODOLOGÍA PROPUESTA

5.1 SELECCIÓN DE LAS UNIDADES DE MUESTREO (Desarrollo del objetivo específico 4.2.1)

Se trabajará en seis unidades experimentales correspondientes a 3 suelos de las zonas de estudio, dos unidades experimentales por cada suelo, en los cultivos de banano en el Uraba Antioqueño y rosas en la Sabana de Bogotá. A cada unidad experimental se establecerá la homegeneidad mediante el empleo de precalicatas. Una vez establecida la homogeneidad de las unidades experimentales se abrirá una calicata de 1x1x2 m de profundidad a la cual se le determinarán los propiedades físicas y químicas de cada horizonte, de acuerdo a las metodologías establecidas por el Instituto Geográfico Colombiano Agustín Codazzi 66. En campo se harán mediciones de infiltración, conductividad hidráulica y curvas de humedad en cada una de las seis unidades experimentales, con el objetivo de establecer la variabilidad espacial y temporal de estas propiedades físicas que afectan la dirección y el movimiento del agua a través del perfil del suelo; y así ajustar sus valores durante la calibración del modelo.

5.2 SELECCIÓN DE LOS PLAGUICIDAS A ESTUDIAR (Desarrollo del objetivo específico 4.2.2)

Para la selección de los cinco plaguicidas a evaluar, dos plaguicidas por cultivo y uno en común, se tendrá en cuenta los plaguicidas más aplicados en términos de dosis y frecuencia, su persistencia en el suelo, su solubilidad, su volatilización, su movilidad y potencial de lixiviación. Los plaguicidas aplicados, las dosis y las frecuencias, se obtendrán a partir de los resultados de las encuestas a aplicar en cada cultivo. Las demás características físicas y químicas de cada una de las moléculas aplicadas para el control de las enfermedades, plagas y hongos en los cultivos de banano y rosas, se buscarán en la base de datos de la Unión Europea (Footprints). La selección de los cinco plaguicidas a evaluar, se realizará mediante un análisis de multicriterios con base en los siguientes criterios: dosis, frecuencia, persistencia en suelo, solubilidad, volatilización, hidrólisis, toxicidad en humanos, movilidad, lixiviación y metodología de extracción de cada una de las moléculas.

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5.3 CUANTIFICACIÓN DE LOS PLAGUICIDAS A TRAVÉS DEL PERFIL DEL SUELO (Desarrollo del objetivo específico 4.2.2)

Selecionados los plaguicidas a evaluar, se aplicarán en las seis unidades de muestreo (3 plaguicidas por cada cultivo) conforme a la dosis y frecuencias usadas en cada cultivo. En la primera aplicación junto con los plaguicidas, se aplicará una solución de bromuro de potasio con el fin de establecer el movimiento de los solutos a través del perfil del suelo. Las seis unidades de muestreo se dividirán en cuadrantes regulares, con el fin de aleatorizar las subunidades de muestreo, en las cuales se tomarán las muestras de suelo a diferentes profundidades al día 1, 22, 42, 103, 214, 278 y 360 después de la primera aplicación para cuantificar los plaguicidas presentes 67. La cuantificación de los pesticidas y el bromuro de potasio a través del perfil de los suelos, se realizará mediante técnicas cromatográficas con metodologías previamente validadas. Esta cuantificación se hará sobre una muestra compuesta por varias subunidades (la cantidad de subunidades a tomar dependerá del área de las unidades experimentales). Se recomienda que por cada 10 ha, en general, se puede obtener una muestra compuesta por 15 a 20 submuestras siguiendo un muestreo al azar 66. A las muestras compuestas se les determinará adicionalmente las siguientes propiedades físicas y químicas: densidad real, densidad aparente, contenido de carbón orgánico, pH y humedad. Con la densidad aparente y real se detrminará la porosidad del suelo, la cual es una de las propiedades físicas que afecta el movimiento del agua y por ende de los plaguicidas a través del perfil del suelo. El contenido de carbón orgánico junto con la textura de cada horizonte permitirá generar los parametros hidráulicos del suelo a través de pedotransferencias y evaluar su variabilidades espaciales y temporales; y la humedad generará los perfiles del contenido de agua en el campo, para ser comparados con los generados en la modelación y establecer cómo la cantidad de agua almacenada por el suelo en un momento determinado afecta el movimiento de ésta, de los solutos y los plaguicidas.

5.4 ADSORCIÓN-DESORCIÓN DE PLAGUICIDAS EN SUELOS (Desarrollo del objetivo específico 4.2.3)

La movilidad de los plaguicidas seleccionados en el suelo se evaluará mediante la adsorción-desorción de las moléculas en cada uno de los horizontes del perfil de uno de

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los suelos estudiados. La determinación de las constantes de distribución de los plaguicidas entre los sólidos del suelo y su solución se determinará mediante la técnica batch indirecta o directa en paralelo 68 y con columnas de suelo, con moléculas radiomarcadas y no radiomarcadas.

5.5 DEGRADACIÓN DE LOS PLAGUICIDAS Y SORCIÓN EN EL TIEMPO (Desarrollo del objetivo específico 4.2.4)

La estabilidad de los plaguicidas seleccionados en el perfil de uno de los suelos estudiados se evaluará mediante incubaciones de una cantidad de suelo fresco de cada uno de los horizontes con las moléculas a evaluar. Las incubaciones se realizarán en el tiempo hasta 140 días a tres temperaturas: la primera temperatura corresponderá 10 °C por debajo de la temperatura promedio de la zona, la segunda a la temperatura promedio y la tercera a 10 °C grados por encima de la promedio. Los suelos incubados a diferentes tiempos se extraerán inicialmente con agua (manteniendo las mismas proporciones de agua y suelo empleadas para la desorción de los plaguicidas), posteriormente con solvente hasta garantizar su total extracción. La formación de residuos ligados se realizará trabajando con uno o dos plaguicidas radiomarcados con el fin de establecer cuánto queda ligado al suelo a través del incremento del tiempo de residencia del plaguicida en el suelo y así establecer el tipo de mecanismo que afecta la adsorción de los plaguicidas en el perfil del suelo 22, 23, 69.

5.6 CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA ORGÁNICA DE LOS SUELOS (Desarrollo del objetivo específico 4.2.5)

La materia orgánica total como parte de los sólidos que conforman el suelo y la materia orgánica disuelta, se caracterizarán mediante espectroscopia infrarroja, ultravioleta-visible y resonancia magnética nuclear 70, 71. La materia orgánica total de los suelos a diferentes profundidades del perfil de un suelo y de los horizontes A de los demás suelos, se obtendrá mediante tratamiento con ácido fluorhídrico al 2%, agitación, centrifugación y liofilización 38. De igual forma la materia orgánica disuelta como componente de la materia orgánica del suelo que afecta la formación del suelo, meteorización de la fracción mineral y el transporte de contaminantes a través del perfil del suelo, se obtendrá mediante

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agitación del suelo con agua grado Milli-Q en una proporción 1:10 durante un tiempo de 16 h, centrifugación y filtración a través de membranas esterilizadas de 0,45 μm 48.

5.7 ADAPTACIÓN Y VALIDACIÓN DEL MODELO DE LIXIVIACIÓN DE PLAGUICIDAS EN SUELOS (Desarrollo del objetivo específico 4.2.6)

En primer lugar, la selección del modelo de lixiviación de plaguicidas en suelos, se realizará mediante un análisis de multicriterios teniendo en cuenta: i) el tipo de flujo del agua en el suelo, ii) la toma de agua por parte de las plantas, iii) la volatilización del plaguicida desde el suelo, iv) el efecto de la temperatura y humedad del suelo en la degradación, v) la sorción no lineal, vi) el flujo de los solutos, vii) un flujo preferencial del agua debido a los canales y/o biocanales existentes en el suelo, ix) el efecto de la materia orgánica disuelta en la movilidad de los plaguicidas a través del perfil del suelo y x) la composición estructural de la materia orgánica total del suelo 72. Una vez seleccionado el modelo se procederá a adaptar, incluyendo aquellos procesos que están pobremente representados o que no están considerados en el modelo, y calibrarlo con los resultados de los estudios realizados en tres de las seis unidades experimentales, 73 y mediciones de los residuos de plaguicidas en las fuentes de agua subterráneas de las zonas de estudio, con el fin de comparar los datos arrojados por el modelo y los encontrados experimentalmente. Las mediciones de los residuos en aguas subterráneas se realizarán empleando técnicas cromatografícas con metodologías previamente validadas. Finalmente el modelo adaptado y calibrado, se validará con los datos obtenidos de las otras tres unidades experimentales, para establecer su validez en la predicción de la contaminanción por parte de los plaguicidas hacia las aguas subterráneas en las zonas de estudio seleccionadas 74.

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6. RESULTADOS ESPERADOS

6.1 RESULTADOS Mediante el desarrollo del problema central de este trabajo de investigación, se pretende generar información científica relacionada con el comportamiento de los plaguicidas a través del perfil del suelo y su correlación con el movimiento del agua para suelos colombianos, tropicales, con labranza continua y aplicación de materiales orgánicos (fertilización). Además en la parte analítica, se validará una metodología selectiva y rápida para la extracción de plaguicidas en suelos, se establecerán las constantes de distribución de los plaguicidas entre los sólidos del suelo y la solución del suelo, la sorción en el tiempo, la degradación de las moléculas y el efecto de la materia orgánica sólida y disuelta en la movilidad de los plaguicidas a través del perfil del suelo, para adaptar un modelo de lixiviación de plaguicidas en los suelos de las zonas de estudio y mirar su utilidad en la formulación de políticas ambientales que garanticen la calidad del agua, del ambiente y disminuyan el riesgo de exposición de los plaguicidas en los seres humanos. En la adaptación del modelo de lixiviación, se pretende vincular un componente que simule el efecto de la composición estructural de la materia orgánica sólida y la materia orgánica disuelta sobre las interacciones del plaguicida y su movilidad. Ambos componentes orgánicos son agregados de manera casi constante a los suelos de uso agrícola, para el mantenimiento de la fertilidad y aumento en la producción; afectando de este modo la movilidad de los plaguicidas en el suelo.

6.2 ARTÍCULOS A PUBLICAR

• Adsorción-desorción de plaguicidas en el perfil de un suelo tropical y agrícola Colombiano y su depndencia a través del tiempo.

• Degradación de plaguicidas en el perfil de un suelo tropical y agrícola Colombiano

• Composición estructural de la materia orgánica en suelos tropicales y agrícolas

Colombianos y su efecto en la adsorción de los plaguicidas.

• Efecto de la materia orgánica disuelta en la movilidad de los plaguicidas en suelos tropicales y agrícolas Colombianos.

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• Adaptación de un modelo de lixiviación para suelos tropicales y agricolas Colombianos.

• Validación de una metodología para la determinación de residuos de plaquicidas

en suelos (opcional)

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7. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

7.1 CRONOGRAMA

Años

ACTIVIDAD 1 2 3 4 Elaboración de la propuesta de investigación

X

Realización de encuestas y selección de las zonas de estudio.

X (Primer

semestre)

Selección del modelo a adaptar

X (Primer

semestre)

Selección de los plaguicidas y validación de la metodología para la extracción de los plaguicidas en suelos

X (Segundo semestre)

Montaje de los ensayos de campo en las zonas seleccionadas para el cultivo de banano y rosas.

X

X

Montaje de las columnas de suelo.

X

X (Primer

semestre) Caracterización de la materia orgánica sólida y disuelta del suelo

X (Segundo semestre)

Ensayos de adsorción-desroción de los plaguicidas seleccionados

X (Segundo semestre)

Ensayos de degradación de los plaguicidas seleccionados

X (Segundo semestre)

X (Primer

semestre)

Calibración y validación del modelo

X (segundo semestre)

X

Escritura del documento y artículos

X X

Revisión de bibliografía

X X X X

Nota: Cuando no se específique sí es primer o segundo semestre en cada uno de los años, indica que la actividad cubre los dos semestres.

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8. PRESUPUESTO    

8.1 PRESUPUESTO    

Rubro Justificación Valor

Equipos

Equipos para el muestreo de suelos, mediciones de

conductividad hidráulica, infiltración y potenciales a

diferentes profundidades del perfil del suelo en

campo. 64.000.000

Materiales Consumibles para cromatografía, estándares de

plaguicidas, solventes y reactivos 40.000.000

Servicios Técnicos Análisis físicos y químicos de los suelos a diferentes

profundidades. 20.000.000

Publicaciones Cuatro publicaciones en revistas internacionales y

dos publicaciones nacionales 2.000.000

Total 126.000.000

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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LITERATURA CITADA                                                                                                                

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                                                                                                               54 Vanclooster, M., Boesten, J.J.T.I., Trevisan, M., Brown, C.D., Capri, E., Eklo, O.M., Gottesbüren, B., Gouy, V. and van del Linden, A.M.A. (2000). A European test of pesticide-leaching models: methodology and major recommendations. Agricultural Water Management. 44: p. 1-19. 55 UPAC. (1987). IUPAC report on pesticide: potential contamination of groundwater by pesticide. Pure Applied Chemistry. 10: 1419-1446. 56 Leistra, M. and Boesten, J.J.T.I. 1989. Pesticide contamination of groundwater in Western Europe. Agricultural. Ecosystem. Environmental. 26: 269-389. 57 Faasen, R. (1995). Agricultural pesticide use…a treta to Europen environment? Eur. Water Pollut. Control. 5: 33-40. 58 Bergström, L.F. and Jarvis, N.J. (1994). Evaluation and comparison of pesticide leaching models for registration purpose. Journal Environmental Science Health. 29: 1061-1072. 59 Diekkrüger, B., Söndgerath, D., Kersebaum, K.C. and McVoy, C.W. (1995). Validity of agro ecosystems models: a comparision of results of different models applied to the same data set. Ecol. Modelling. 81: 3-29. 60 Jarvis, N.J., Hollis, J.M., Nicholls, P.H., Mayr, T. and Evans, S.P. (1997). MACRO-DB: a decision-support tool for assessing pesticide fate and mobility in soils. Environmental Modelling & Software. 12(2-3): 251-256. 61 Kalita, P.K., Ward, A.D., Kanwar, R.S. and McCool, D.K. (1998). Simulation of pesticide concentrations in groundwater using Agricultural Drainage and Pesticide Transport (ADAPT) model. Agricultural Water Management. 36: 23-44. 62 Aden, K. and Diekkrüger, B. (2000). Modeling pesticide dynamics of four different sites using the model system SIMULAT. Agricultural Water Management. 44: 337-355. 63 Klein, M., Hosang, J., Schäfer, H., Erzgräber, B. and Resseler, H. (2000). Comparing and evaluating pesticide leaching models results of simulation with PELMO. Agricultural Water Management. 44: 263-281. 64 Tiktak, A. (2000). Application of pesticide leaching models to the Vredepeel dataset II. Pesticide fate. Agricultural Water Management. 44:119-134. 65 Wauchope, R.D., Yeh, S., Linders, B. H. J., Kloskowski, R., Tanaka, K., Rubin, B., Katayama, A., Kördel, W., Gerstl, Z., Lane, M. and Unsworth, J.B. (2002). Pesticide soil sorption parameters: theory, measurement, uses, limitations and reliability. Pest Management Science. 58(5): 419-445. 66 IGAC.(2006). Métodos análiticos del laboratorio de suelos. 6ta Edición. Bogotá, D.C. 67 Boesten, J.J.T.I. and van der Pas, L.J.T. (2000). Movement of water, bromide and the pesticides ethoprophos and bentazone in a sandy soil: the Vredepeel data set. Agricultural Water Management. 44: 21-42. 68 OECD, OECD GUIDELINE FOR THE TESTING OF CHEMICALS. (2000). Adsorption - Desorption Using a Batch Equilibrium Method. 69 Beigel, C., Charnay, M-P. and Barriuso, E. (1999). Degradation of formulated and unformulated triticonazole funguicide in soil: effect of application rate. Soil Biology and Biochemistry. 31: 525-534. 70 Mosquera, C.S., Realpe, I.B. y Hansen, E.D. (2007). Comportamiento estructural de los ácidos húmicos obtenidos de un suelo andisol del departamento del Cauca. Revista Colombiana de Química. 36: 31-41.  71 Mosquera, C.S., Martínez, M.J., Guerrero, J.A. y Hansen, E.W. (2010). Caracterización estructural de la material orgánica de tres suelos provenientes del municipio de Aquitania-Boyacá. Revista Colombiana de Química. 39: 47-60.  

29

                                                                                                               

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